一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口及其制备工艺的制作方法

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口及其制备工艺。

背景技术

特钢生产过程中由于钢水种类比较复杂，各类型钢种之间成分及冶炼工艺差别较大，传统的铝碳质整体浸入式水口很难完全满足钢水高炉次连浇的使用要求。在一些合金结构钢上，由于添加了较多的合金元素，某些合金元素的氧化物（如mno2、cao、cr2o3等）会对整体水口碗部材料造成异常侵蚀，导致塞棒与整体水口碗部之间配合失败，无法正常控流。而在浇铸轴承钢类钢种时，由于在冶炼过程中引入了较多的al、ca等元素，导致钢水中含有较多的al2o3、xcao•yal2o3（钙铝酸盐）夹杂，在浇铸过程中，这些夹杂物在钢液涡流的作用下，会不断向水口内壁移动并附着在上面造成水口内孔堵塞。

近年来，为保证特钢顺利达到生产目标，耐火企业不断开发新品种以应对以上特殊要求。如水口碗部由铝碳材质改为的mgo-c、mgo-al2o3-c材质；水口内壁复合无碳、无硅防堵内衬，水口的使用寿命有了一定的提升作用，但在应对一些低碳、超低碳等钢种时，这类材料还是不能完全达到使用要求。

公开号为cn1796028a的中国专利申请公开了一种特钢连铸用防堵浸入式水口，该特钢连铸用防堵浸入式水口具有a12o3-c材质的本体和zro2-c材质渣线，具有一不含碳的防堵内衬，该防堵内衬材质为不含碳的氧化物和非氧化物复合材料，氧化物为刚玉，尖晶石；非氧化物为氮化物，氮化物为氮化硅、氮化铝、氮化硼，氧化物的用量为75-95wt%，非氧化物的用量为5-25wt%。该发明提出的防堵浸入式水口降低了水口内衬和含cao夹杂物的反应程度，实际应用时，解决了特钢连铸过程中的水口堵塞现象。但是，当水口内壁夹杂物以al2o3为主时，该专利靠降低内衬材料与钢液的反应活性可以起到防堵的效果；当水口内壁夹杂物以xcao•yal2o3（钙铝酸盐）为主时，水口堵塞机理以物理吸附为主，靠内衬材料与钢液的反应惰性已无法抑制堵塞现象的发生，虽然该专利中氮化物高温分解产生气体能够起到防止水口堵塞的作用，但一方面因为氮化物加入量有限（5~25wt%），分解产生的气体分压不足以完全隔绝钢液与水口内壁材料的接触，另一方面，氮化物（氮化铝、氮化硅）高温分解温度较高，在水口的使用温度下（1500℃左右）不容易发生分解反应。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口及其制备工艺，不仅能达到特钢高炉次连浇的要求，还能改善一些特钢种浇注过程中水口堵塞的情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体、锆碳质渣线、锆芯和防堵内衬，所述锆芯通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬设置在水口内腔；

所述铝碳质本体由如下重量百分含量的原料制成：电熔棕刚玉50~65%，鳞片石墨25~30%，金属硅粉3~5%，煅烧氧化铝粉6~18%，外加原料总重量6~11%的酚醛树脂；

所述锆碳质渣线由如下重量百分含量的原料制成：电熔稳定氧化锆80~86%，鳞片石墨10~15%，金属硅粉2~5%，外加原料总重量5~10%的酚醛树脂；

所述锆芯由如下重量百分含量的原料制成：高纯电熔氧化锆90%~96%、氧化钇1~5%、氧化镁1~4%和煅烧氧化铝粉1~3%，外加原料总重量4~10%的结合剂；

所述防堵内衬由如下重量百分含量的原料制成：熔融石英65%~70%、鳞片石墨20%~28%、钾长石1~3%、金属硅粉2~5%、硼砂2~3%，外加原料总重量6~12%的酚醛树脂。

优选地，所述锆芯高度为50mm~250mm，体积密度5.2~5.5g/cm³，显气孔率2~3%。

优选地，所述火泥厚度1~3mm。

优选地，所述结合剂为聚乙烯醇。

优选地，所述防堵内衬的厚度为3~8mm，体积密度为2.2~2.4g/cm³，显气孔率为10%~20%。

优选地，所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上。

优选地，所述鳞片石墨为99级高纯石墨。

优选地，所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

一种上述的特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口的制备工艺，包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料冷等静压机中压制成型；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯200~250℃干燥6-10h，接着800~1200℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥24-48h，摩擦压力机中压制成生坯，接着100-120℃干燥6-12h，最后1500~1800℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

优选地，所述冷等静压机压力为100~120mpa，所述摩擦压力机压力为60~80mpa。

1.本发明水口碗部镶嵌锆芯，高纯电熔氧化锆对钢液中的各种成分均呈化学惰性，在浇铸过程中不受钢液的侵蚀，水口碗部形状不会在使用过程中发生变形，保证特钢连铸过程的高炉次浇铸；氧化钇、氧化镁组成复合稳定剂，在烧成过程对高纯电熔氧化锆进行二次稳定，同时因为氧化镁、煅烧氧化铝粉的加入，可以在一定程度降低锆芯的烧结温度，聚乙烯醇作为临时结合剂，高温氧化后变为气体挥发。本发明锆芯各原料协同作用，所得锆芯体积密度5.2~5.5g/cm³，显气孔率2~3%，锆芯致密性好，稳定性高，使用寿命长。

2.本发明防堵内衬熔融石英粒级选用0.5-0.2mm、0.2-0mm、325目，其中325目占熔融石英总量50%以上，所述鳞片石墨为99级高纯石墨，碳热还原反应反应活性高。在使用时，内衬材料表面温度可达1500℃以上，熔融石英（sio2）与鳞片石墨、树脂碳发生碳热还原反应生成大量的sio、co气体，阻隔了钢液与水口内壁的直接接触，有效防止了水口内壁的夹杂物附着。同时，钾长石、硼砂低熔点物质高温下融化后进一步填充了一些未封闭的气孔，进一步避免了钢液中夹杂物在内衬材料上的吸附，金属硅粉提高了防堵内衬的高温强度，防止防堵内衬被氧化。本发明防堵内衬体积密度2.2~2.4g/cm³，显气孔率在10%~20%，能够有效防止水口内壁夹杂物的附着。

3.本发明不仅能达到特钢高炉次连浇的要求，还能改善一些特钢种浇注过程中水口堵塞的情况，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口的结构示意图；

图中，1-铝碳质本体，2-锆碳质渣线，3-锆芯，4-防堵内衬。

具体实施方式

下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

参见图1，一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉60%，鳞片石墨25%，金属硅粉5%，煅烧氧化铝粉10%，外加原料总重量6%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆85%，鳞片石墨12%，金属硅粉3%，外加原料总重量8%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆95%，氧化钇3%，氧化镁1%，煅烧氧化铝粉1%，外加原料总重量4%的聚乙烯醇。

防堵内衬组分：熔融石英65%，鳞片石墨25%，钾长石3%，金属硅粉4%，硼砂3%，外加原料总重量12%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为250mm，体积密度5.2g/cm³，显气孔率3%。

所述火泥厚度1mm。

所述防堵内衬的厚度为8mm，体积密度为2.2g/cm³，显气孔率为10%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力105mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯220℃干燥6h，接着1000℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥24h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为60mpa，接着100℃干燥10h，最后1600℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

实施例2

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉50%，鳞片石墨29%，金属硅粉3%，煅烧氧化铝粉18%，外加原料总重量11%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆80%，鳞片石墨15%，金属硅粉5%，外加原料总重量9%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆94%，氧化钇2%，氧化镁2.5%，煅烧氧化铝粉1.5%，外加原料总重量4%的聚乙烯醇；

防堵内衬组分：熔融石英70%，鳞片石墨20%，钾长石2%，金属硅粉5%，硼砂3%，外加原料总重量11%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为100mm，体积密度5.3g/cm³，显气孔率3%。

所述火泥厚度2mm。

所述防堵内衬的厚度为3mm，体积密度为2.3g/cm³，显气孔率为20%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力110mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯200℃干燥10h，接着1100℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥48h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为70mpa，接着110℃干燥10h，最后1500℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

实施例3

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉65%，鳞片石墨25%，金属硅粉4%，煅烧氧化铝粉6%，外加原料总重量10%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆86%，鳞片石墨12%，金属硅粉2%，外加原料总重量9%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆96%，氧化钇1%，氧化镁2%，煅烧氧化铝粉1%，外加原料总重量4%的聚乙烯醇；

防堵内衬组分：熔融石英63%，鳞片石墨28%，钾长石3%，金属硅粉4%，硼砂2%，外加原料总重量12%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为200mm，体积密度5.3g/cm³，显气孔率2%。

所述火泥厚度3mm。

所述防堵内衬的厚度为5mm，体积密度为2.4g/cm³，显气孔率为12%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力100mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯230℃干燥8h，接着1200℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥36h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为80mpa，接着120℃干燥6h，最后1800℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

实施例4

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉50%，鳞片石墨30%，金属硅粉4%，煅烧氧化铝粉18%，外加原料总重量8%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆85%，鳞片石墨10%，金属硅粉5%，外加原料总重量10%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆93%，氧化钇2.5%，氧化镁2.5%，煅烧氧化铝粉2%，外加原料总重量6%的聚乙烯醇。

防堵内衬组分：熔融石英66%，鳞片石墨28%，钾长石2%，金属硅粉2%，硼砂2%，外加原料总重量10%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为50mm，体积密度5.3g/cm³，显气孔率2.2%。

所述火泥厚度1mm。

所述防堵内衬的厚度为6mm，体积密度为2.3g/cm³，显气孔率为15%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力105mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯250℃干燥6h，接着800℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥24h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为70mpa，接着100℃干燥12h，最后1600℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

实施例5

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉55%，鳞片石墨30%，金属硅粉5%，煅烧氧化铝粉10%，外加原料总重量8%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆82%，鳞片石墨14%，金属硅粉4%，外加原料总重量5%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆90%，氧化钇5%，氧化镁2%，煅烧氧化铝粉3%，外加原料总重量8%的聚乙烯醇。

防堵内衬组分：熔融石英68%，鳞片石墨23%，钾长石1%，金属硅粉5%，硼砂3%，外加原料总重量8%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为150mm，体积密度5.4g/cm³，显气孔率2.5%。

所述火泥厚度2mm。

所述防堵内衬的厚度为7mm，体积密度为2.3g/cm³，显气孔率为16%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力105mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯240℃干燥8h，接着1000℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥24h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为60mpa，接着100℃干燥10h，最后1600℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

实施例6

一种特钢用防堵复合锆芯内装浸入式水口，包括铝碳质本体1、锆碳质渣线2、锆芯3和防堵内衬4，所述锆芯3通过火泥镶嵌在水口碗部，所述防堵内衬4设置在水口内腔；

铝碳质本体组分：电熔棕刚玉62%，鳞片石墨27%，金属硅粉4%，煅烧氧化铝粉7%，外加原料总重量10%的酚醛树脂；

锆碳质渣线组分：电熔稳定氧化锆83%，鳞片石墨12%，金属硅粉5%，外加原料总重量10%的酚醛树脂；

锆芯组分：高纯电熔氧化锆92%，氧化钇2%，氧化镁4%，煅烧氧化铝粉2%，外加原料总重量10%的聚乙烯醇；

防堵内衬组分：熔融石英70%，鳞片石墨21%，钾长石2%，金属硅粉4%，硼砂3%，外加原料总重量6%的酚醛树脂。

所述锆芯高度为250mm，体积密度5.5g/cm³，显气孔率2.3%。

所述火泥厚度2mm。

所述防堵内衬的厚度为8mm，体积密度为2.3g/cm³，显气孔率为15%。

所述熔融石英粒级选用0.5~0.2mm、0.2~0mm和325目，其中325目占熔融石英总量50%以上；所述鳞片石墨为99级高纯石墨；所述钾长石、金属硅粉和硼砂粒度分别为150~300目。

所述水口的制备工艺包括以下步骤：

（1）首先将铝碳质本体、锆碳质渣线和防堵内衬的原料分别在造粒机中混制，得到三种泥料，烘干；

（2）将步骤（1）三种泥料在冷等静压机压制成型，压力110mpa；

（3）将步骤（2）成型后的毛坯200℃干燥10h，接着1000℃烧制成型；

（4）将锆芯原料混合得到泥料，自然干燥28h，摩擦压力机内压制成生坯，压力为80mpa，接着110℃干燥8h，最后1800℃烧制成型；

（5）将步骤（4）烧制成型的锆芯通过火泥镶嵌在步骤（3）所得水口半成品的碗部；

（6）对步骤（5）水口喷涂防氧化涂料，即得。

应用试验

在河南济源钢铁有限公司第一炼钢厂特钢生产线进行应用试验，一个中间包放置7支本发明或者7支对比试验的水口，对比试验采用mgo-c质碗口，无碳尖晶石质内衬，试验钢种包括40cr，20mntib，60si2mn，gcr15等，测试结果如下：

40cr：本发明水口达到22炉连浇，塞棒棒位不下降，使用过程无异常；对比试验达到连浇18炉，塞棒棒位平均下降20mm，不能继续使用。

20mntib：本发明水口达到13炉连浇，使用过程无异常，内壁无明显夹杂物沉积；对比试验达到连浇13炉，内壁夹杂物平均沉积2mm。

60si2mn：本发明水口达到13炉连浇，使用过程无异常，内壁无明显夹杂物沉积；对比试验达到连浇13炉，内壁夹杂物平均沉积1mm。

gcr15：本发明水口达到8炉连浇，使用过程无异常，内壁夹杂物平均沉积2mm；对比试验连浇至5炉有水口被堵死的现象，内壁夹杂物平均沉积4mm。

由上可以明显看出：相比传统水口使用过程，采用本发明水口在浇钢过程中，由于水口碗部采用锆芯增强，不容易受到钢液侵蚀，塞棒棒位全程不下降；本发明水口内壁采用sio2-c质防堵内衬增强，内壁无明显夹杂物沉积，使用效果明显优于传统水口，本发明水口的使用寿命明显提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。